ZP-205转盘润滑密封装置的改进与应用

孔祥鑫

（大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江 大庆 163400）

0 引言

转盘是石油钻机的提升设备之一，尤其是在ZJ40以下无法安装顶驱的钻机中，转盘仍是给钻机提供动力的主要装置，在旋转钻具、起下钻、下套管和悬挂井下钻具等方面具有重要作用。在现场钻井作业中，存在着转盘使用寿命短、回厂检修率较高等问题，经分析主要是转盘油池密封性差，泥浆和岩屑进入油池后污染润滑油，导致润滑效果降低，最终使转盘轴承磨损加剧，影响转盘使用寿命[1]。通过设计刚性材质的封闭式挡泥装置、改进固定方式等技术措施，使转盘油池密封性能得到提升，减少因润滑油受污染而造成的转盘维修，延长了转盘连续作业时间，节约了润滑油费用、设备维修费用和钻机日费，创造了较好的经济效益和社会效益，具有广阔的推广应用前景。

1 转盘事故原因分析

通过长期现场钻井作业跟踪与调研分析后得知，目前ZP-205转盘油池密封多采用双压圈式密封、橡胶垫密封或迷宫式密封3种方式。随着钻井作业不断进行，转盘长时间处于工作状态会导致油池密封性变差，泥浆和岩屑等杂质会进入密封箱体内部引起润滑效果降低。一方面，泥浆进入油池后会降低润滑油浓度和纯度，直接降低润滑油的润滑效果，增加轴承之间的摩擦；另一方面，钻井过程中产生的微米级或纳米级的岩屑颗粒，会随着泥浆进入到轴承之间，使原来轴承之间的“液-液”摩擦变成轴承与岩屑颗粒、轴承与轴承之间的“固-固”摩擦，加剧转盘轴承磨损[2]。

2 密封装置设计原理与技术方案

2.1 设计原理

在钻进作业过程中，特别是起钻时钻柱上会附着较多钻屑形成的泥环，并带出井筒中的大量泥浆，在起钻速度较快时部分泥环或泥浆会直接进入到装有润滑油的密封装置中。如图1所示，ZP-205转盘结构主要是由底座、转盘体、上下轴承、大小齿轮、输入轴、制动装置、内外补芯、油池等部件组成，转盘体是通过螺栓固定装在上下轴承内圈上，通过其外圈支承在底座上，当转盘体旋转时，通过补芯将转矩传递给主钻杆，从而带动钻杆柱旋转。如图2所示，在转台下部安装一个橡胶或者金属材质的环形挡泥装置，能够以相同速率随着转盘高速旋转而转动，如有泥浆、岩屑颗粒等外来杂质向轴承及油池侵入时，在挡泥装置高速旋转产生的离心力作用下，杂质将沿挡圈平面平行方向被甩出，起到预防杂质进入油池的效果，大大减少了泥浆进入到密封装置中的概率[3]，从而延长相同液量润滑油的润滑时间、提高轴承之间的润滑效果。

图1 ZP-205转盘局部结构示意图

图2 ZP-205转盘实物图

2.2 技术方案

为解决转盘轴承密封性差的难题，从转盘性能、金属防腐和固定方式等几方面进行了设计与改进。

1）不改变主体结构性能。为降低制作成本、提高经济效益，新设计的密封装置必须与ZP-205转盘具有良好匹配度，且不能改变转盘的主体功能和所有性能参数。

2）密封装置材质要具有良好的防腐蚀能力。钻井液体系复杂、添加剂种类繁多，往往都具有较强的腐蚀性，特别是盐水和复合盐水等高矿化度钻井液体系中，在钻井液电化学腐蚀作用下会对金属材质产生极强的腐蚀性，在金属表面产生蚀点和蚀坑，最终使设备失去防护效果。

3）密封装置材质要具有良好的强度和耐磨性。由于密封装置在转台旋转作用下会随着转盘一起做高速离心运动，会与转台和泥浆中的岩屑颗粒发生摩擦和碰撞作用，要减少更换频率，必须在成本可控前提下提高材质的强度和耐磨性能[4]。

4）密封装置要便于拆卸和安装。即使密封装置满足了以上要求，也不能一劳永逸地解决问题，在最终损坏和需要更换时，必须便于拆卸和安装，以提高可操作性、降低工人劳动强度。

3 密封装置改进技术研究

转盘轴承密封装置采用防腐材质的金属挡圈同迷宫法兰配合使用的复合式密封，用防松动螺栓固定在转盘下部，没有改变原转盘尺寸和性能参数，因此在技术上是可行的。

3.1 主体结构

ZP-205转盘油池密封多采用双压圈式密封、橡胶垫密封或迷宫式密封3种方式。其中，双压圈式密封主要通过内外两密封圈的多重唇口形成接触与非接触多重屏障，延缓外部灰尘、杂质和泥浆对轴承内部的侵入，这种密封方式的主要密封件是两层橡胶圈，在长时间运转、高温高压条件和润滑油腐蚀作用下，很容易发生老化而失去密封作用[5]；橡胶垫密封也存在着易腐蚀和易老化而失效的问题；迷宫式密封与前两种密封方式相比，可以逐级降低密封介质的压力，将压力分散到密封圈的各个齿上，从而具有更好的密封性能，密封圈的热弹性变形可以使密封圈更紧密地贴合在箱体上，防止箱体内润滑油泄漏[6]。因此，密封装置的主体结构选用迷宫式密封方式。

3.2 挡泥装置

结合现场钻井作业施工环境，挡泥装置加工材料必须综合考虑耐腐蚀性、高强度、耐磨性、经济性等指标，从马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢等不锈钢中选取一种。经对比后得知，马氏体钢含碳量较高，虽然具有较高的硬度、强度和耐磨性，但在泥浆高盐、高碱性环境下极易发生腐蚀穿孔等情况[7]；铁素体钢虽具有较好的耐腐蚀性与抗氧化性能，但因含铬量高而力学性能差、脆性高、韧性差；奥氏体钢含有铬、镍、钼、氮等元素，具有良好的韧性、塑性和焊接性，在氧化和还原性介质中都有极强的耐腐蚀性。因此，选用奥氏体钢做为挡泥装置加工材料，降低高速旋转和机械作用脆裂风险，增强泥浆恶性环境下的耐腐蚀性能[8]。

3.3 固定方式

挡泥装置需要固定在转台下部位置才能发挥最佳效果，一般常用的固定方式有螺栓连接和电焊两种：1）普通螺栓固定。这种固定方式虽然便于安装、拆卸和更换，能够节省时间、降低劳动强度，但螺栓在重力作用和转盘高频振动下极易发生松动和脱扣现象[9]，给更换和检修带来极大不便。2）焊接工艺。这种固定方式虽然具有安装牢固、不易脱落的优点，但钻机二层台离地面比较高，不便于安装和更换，并且焊接和拆换工作费时，会延长等停时间、影响钻井总体进度，同时，在天然气井和含有伴生天然气的油井作业中，在井口上方进行电焊作业会带来巨大的安全隐患。

因此，综合考虑方便、省时、安全等各方面因素，最终选择螺栓固定工艺，并采用“细牙螺纹+双螺母+平垫圈”的组合防松动方法来提高螺栓安全性能。细牙螺纹主要是利用升角小的特点，增加螺丝和螺母间的摩擦力而起到防松动作用；双螺母能够增大质量将螺栓振幅限制在一个较小范围，起到一定的防松动作用[10]；增加平垫圈能够增大螺丝和螺母接触面积，减少振动产生的纵向冲击力，能进一步增强螺栓的防松动功能。

4 现场应用及效果分析

在确定了转盘密封装置主体结构、挡泥装置材质和固定方式后，根据ZP-205转盘尺寸和相关技术参数，加工制成了新的转盘润滑密封装置，总体质量不超过1.5 kg，经检测可承受0.3 MPa动冲力。该装置在大庆某钻井队ZJ30钻机进行了安装和现场应用。

经过6个月时间、8口井钻进作业的技术跟踪与对比分析，该密封装置具有以下技术特点与优势：1）润滑油消耗量减少，润滑效果提升。安装该装置前，密封装置中因泥浆混入导致杂质超标，润滑油必须每2个月更换一次，安装新装置后润滑油6个月更换一次，而且施工过程中没有出现因杂质混入油箱而引起的轴承升温过快、噪声变大等问题。2）挡泥装置耐腐蚀性强。在经过6个月、8口井的连续施工作业后，挡泥装置经受住了高矿化度盐水钻井液和油基钻井液的化学腐蚀，表面没有出现严重的蚀点和蚀坑，只在背面有少量不影响使用的锈迹。3）挡泥装置耐磨性好、强度高。在经过长时间作业后，金属板没有出现因撞击而发生的穿孔和断裂现象，减少了更换频率。4）螺栓安全性能高。采用“细牙螺纹+双螺母+平垫圈”的组合防松动方法，能够经受转盘高频振动，6个月时间里螺栓没有出现松动和脱扣现象。

5 经济效益分析

ZP-205转盘润滑密封装置创造的经济效益从以下几方面进行分析：

1）润滑油费用。改进前转盘平均每年消耗润滑油6桶，改进后每年只消耗润滑油2桶，每桶润滑油4000 元。另外还能节省4趟车辆运输费用3000 元。该项费用共计节约：4000×4+3000=19000 元。

2）维修费用。由于改进型ZP-205转盘润滑密封装置提高了润滑油的使用效率和轴承润滑效果，使轴承使用寿命延长25%左右，转盘轴承维修一次的费用为35 000 元左右。所以每年节约修理费用：35 000×25%=8750 元。

3）钻机日费。应用ZP-205转盘润滑密封装置，能减少因更换润滑油和维修转盘耽误的钻进时间，换算后一部钻机平均每年节约钻进周期2 d以上，ZJ30D钻机每天的钻机日费在48 000 元左右。一年节省钻机日费为：48000×2=96000 元。

综上，改进后的ZP-205转盘润滑密封装置，一台钻机平均每年能够创造直接经济效益：19000+8750+96000=123750 元。目前大庆有ZJ15和ZJ30钻机100 台以上，全部安装该装置后每年能节约钻井成本1200 万元以上。因此，改进型ZP-205转盘润滑密封装置具有广阔的推广应用前景。

6 结论

1）针对钻机转盘润滑装置密封性较差、轴承易磨损的难题，在不改变转盘主体结构和性能参数基础上，通过设计防腐金属材质挡泥、改变挡泥固定方式等技术措施，形成一套改进型ZP-205转盘型润滑密封装置，具有结构简单、易拆装、耐腐蚀、高强度等特点。

2）在现场应用中，该密封装置减少了润滑油的更换频率，提高了轴承的使用寿命，节约了润滑油成本、修理费用和钻机日费，取得了较好的经济效益，具有广阔的推广应用前景。